基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备技术

提供一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备。所述方法包括：建立数据库，存储参考环境温度和螺栓的规格参数，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；在被测螺栓的表面产生横波，测量第一传播声时；在被测螺栓的表面产生纵波，测量第二传播声时；输入被测螺栓的型号和材料信息，查找规格参数；测量当前环境温度，计算环境温度差；测量法兰厚度，计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差和等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算有效截面积，进而计算被测螺栓的轴力。

Method and equipment for detecting axial force of Bolts Based on electromagnetic ultrasonic technology

The invention provides a method and device for detecting axial force of Bolts Based on electromagnetic ultrasonic technology. The methods include: setting up a database, storing the reference ambient temperature and the specification parameters of the bolt, specification parameters including the diameter of the bolt, the height of the nut, the first parameter related to the material, and the second parameters related to the temperature and the material; the transverse waves are produced on the surface of the bolt to be measured and the first propagation sound is measured; The surface of the bolt produces longitudinal wave, measuring second propagation sound; input the type and material information of the bolt to be measured, look up the specification parameters, measure the current environment temperature, calculate the temperature difference of the environment, measure the flange thickness, calculate the equivalent length of the stress action part of the bolt, and based on the first propagation sound and the second propagation sound. The stress of the bolt is calculated by the first parameter, the second parameter, the ambient temperature difference and the equivalent length, and the effective sectional area is calculated based on the diameter of the bolt, and then the axial force of the bolt is calculated.

【技术实现步骤摘要】
基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备
本专利技术涉及大型机械设备中的螺栓轴力的计量，更具体地说，涉及一种在无需改变现役螺栓的使用状态的情况下对现役螺栓的轴力进行检测的方法和设备。
技术介绍
在大型机械设备(例如风力发电机组等)中，各个法兰面的连接螺栓的轴力大小关系着设备的正常运转和操作人员的安全。因此针对现役螺栓的定期检查(包括预紧力、疲劳检测等)显得尤为重要。例如，对于风力发电机组来说，每台兆瓦风机，包括塔架螺栓、偏航轴承连接螺栓及变桨轴承连接螺栓在内的高强度螺栓数量达到了上千颗，这些螺栓的定期检修和维护关系到风力发电机组的正常安全生产。因而有必要定期对螺栓进行状态检测，避免由螺栓故障引起的人员和设备损伤。
技术实现思路
提供本专利技术可至少解决上述缺点并至少提供下述优点。本专利技术的一方面在于提供一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备使用电磁超声换能器，无需在螺栓表面涂抹耦合剂，也不存在接触压力变化的干扰，并且不用测量螺栓原长，就能够直接测得现役螺栓的轴力，改变了传统的定检打螺栓力矩的方式，节省了大量的人力物力，能够方便准确地测量现役螺栓的轴力。本专利技术的另一方面还在于提供一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备能够在螺栓轴力的测量过程中，通过超声波的信号可以分析出发生破坏性损伤的螺栓。本专利技术的另一方面还在于提供一种电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法和设备，该方法和设备能够对定期检测的每个螺栓的轴力进行数据库备份，并统计每个螺栓的轴力变化趋势。根据本专利技术的一方面，提供一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法，包括：建立数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生横波，并测量产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生纵波，并测量产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；输入被测螺栓的型号和材料信息，以从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；测量被测螺栓的当前环境温度，以基于被测螺栓的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；测量被测螺栓的法兰厚度，以基于法兰厚度和螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。第一参数可包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。第二参数可包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，其中，可通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈，其中，第一线圈和第二线圈被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。电磁超声换能器可包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈，其中，第一线圈被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤可包括：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度，其中，有效系数大于0且小于1。规格参数还可包括与螺母配套的垫片的厚度，其中，计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤可包括：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度，其中，有效系数大于0且小于1。计算被测螺栓所受的应力的步骤可包括：通过下面的公式计算被测螺栓所受的应力：其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波的与声弹性常数有关的量和纵波的与声弹性常数有关的量。计算被测螺栓的轴力的步骤可包括：通过下面的公式计算被测螺栓的轴力：F＝σSa其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。所述方法还可包括：检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，并根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。所述方法还可包括：将定期检测的被测螺栓的轴力存储到建立的数据库或云端服务器的数据库中，并统计被测螺栓的轴力变化趋势。根据本专利技术的另一方面，提供了一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备，包括：存储器，被配置为存储数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；电磁超声换能器，被配置为通过靠近被测螺栓的表面，在被测螺栓的表面产生横波和纵波；超声测量器，被配置为测量由电磁超声换能器产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时，测量由电磁超声换能器产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；环境温度测量器，被配置为测量被测螺栓的当前环境温度；厚度测量器，被配置为被测螺栓的法兰厚度；输入接口，被配置为输入被测螺栓的型号和材料信息；处理器，被配置为执行以下操作：根据输入的被测螺栓的型号和材料信息，从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；基于测量的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；基于测量的法兰厚度和数据库中预先存储的螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。第一参数可包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。第二参数可包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。电磁超声换能器可包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，其中，可通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法，其特征在于，包括：建立数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生横波，并测量产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生纵波，并测量产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；输入被测螺栓的型号和材料信息，以从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；测量被测螺栓的当前环境温度，以基于被测螺栓的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；测量被测螺栓的法兰厚度，以基于法兰厚度和螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的方法，其特征在于，包括：建立数据库，其中，数据库存储参考环境温度以及螺栓的型号和材料对应的规格参数，其中，规格参数包括螺栓直径、螺母高度、与材料相关的第一参数以及与温度和材料两者相关的第二参数；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生横波，并测量产生的横波在被测螺栓内的第一传播声时；通过将电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面，利用电磁超声换能器在被测螺栓的表面产生纵波，并测量产生的纵波在被测螺栓内的第二传播声时；输入被测螺栓的型号和材料信息，以从数据库中查找预先存储的被测螺栓的规格参数；测量被测螺栓的当前环境温度，以基于被测螺栓的当前环境温度和数据库中预先存储的参考环境温度计算环境温度差；测量被测螺栓的法兰厚度，以基于法兰厚度和螺母高度计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度；基于第一传播声时、第二传播声时、第一参数、第二参数、环境温度差以及等效长度，计算被测螺栓所受的应力；基于螺栓直径计算被测螺栓的有效截面积，并基于被测螺栓所受的应力和被测螺栓的有效截面积，计算被测螺栓的轴力。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：第一参数包括螺栓的纵波材料常数和线性膨胀系数。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：第二参数包括螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速和纵横波声时之比、螺栓材料的纵波的与声弹性常数有关的量和横波的与声弹性常数有关的量。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电磁超声换能器包括用于产生横波的第一电磁超声换能器和用于产生纵波的第二电磁超声换能器，其中，通过切换靠近被测螺栓的表面的第一电磁超声换能器和第二电磁超声换能器来分别产生横波和纵波。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电磁超声换能器包括用于产生横波的第一线圈和用于产生纵波的第二线圈，其中，第一线圈和第二线圈被分别布置在电磁超声换能器的第一和第二测量面上，通过切换电磁超声换能器靠近被测螺栓的表面的第一和第二测量面来分别产生横波和纵波。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：电磁超声换能器包括用于改变磁场方向的第一线圈和第二线圈以及用于产生横波和纵波的第三线圈，其中，第一线圈被布置为水平缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第二线圈被布置为垂直缠绕在电磁超声换能器的磁体上，第三线圈被布置在作为电磁超声换能器下侧的测量面上，通过将电磁超声换能器的测量面靠近被测螺栓的表面，并切换电磁超声换能器的第一线圈和第二线圈的电流激励顺序以改变磁场方向来使第三线圈分别产生横波和纵波。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤包括：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度，其中，有效系数大于0且小于1。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：规格参数还包括与螺母配套的垫片的厚度，其中，计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度的步骤包括：通过下列等式计算被测螺栓的受应力作用部分的等效长度：被测螺栓的受应力作用部分的等效长度＝螺母高度×2×有效系数+法兰厚度+垫片的厚度，其中，有效系数大于0且小于1。9.如权利要求3所述的方法，其特征在于：计算被测螺栓所受的应力的步骤包括：通过下面的公式计算被测螺栓所受的应力：其中，σ为被测螺栓所受的应力，Cs，0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的横波声速，L1为被测螺栓的受应力作用部分的等效长度，kL为被测螺栓的纵波材料常数，α为被测螺栓的线性膨胀系数，ΔT为环境温度差，R0为被测螺栓在参考环境温度下且在不受应力时的纵横波声时之比、ts为第一传播声时，tL为第二传播声时，As和AL分别为被测螺栓的材料的横波声弹性常数和纵波声弹性常数。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：计算被测螺栓的轴力的步骤包括：通过下面的公式计算被测螺栓的轴力：F＝σSa其中，F为被测螺栓的轴力，Sa为被测螺栓的有效截面积。11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：检测在被测螺栓内传播的横波或纵波的信号是否发生异常，并根据检测结果确定螺栓是否发生损伤。12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将定期检测的被测螺栓的轴力存储到建立的数据库或云端服务器的数据库中，并统计被测螺栓的轴力变化趋势。13.一种基于电磁超声技术检测螺栓的轴力的设备，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：武飞，李坤，
申请(专利权)人：北京金风慧能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11